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解析LED驱动市场产业现状及未来趋势

解析LED驱动市场产业现状及未来趋势
来源:OFweek 半导体照明网 时间:2013-09-27

在 LED 照明市场的强劲驱动下,也带动 LED驱动 市场成长,LED驱动规模逐渐攀升,据市场研究机构预测,LED驱动IC市场营收规模将由2010年的近20亿美元,在2015年达到近35亿美元,期间平均复合年成长率为12%。该机构并指出, LED照明 所需的LED驱动IC,会是该市场的成长主力,照明、汽车头灯等LED的新兴应用市场大量涌现,掀起了LED的又一波应用狂潮。

不过StrategiesUnlimited也指出,LED驱动市场规模扩大的同时,可能伴随产品价格的下滑;此外,AC-LED产品虽使得所需驱动IC数量缩小、甚至不需要驱动IC,但并不会对预测期间的该市场营收产生显著冲击,甚至有助于加速LED照明产品市场渗透率成长。StrategiesUnlimited估计照明用LED驱动IC市场成长率,在2010~2015年间可达40%;该领域技术所面临挑战包括可调光技术、省电效能、功率因子与价格。

LED驱动电源的使用现状

标准电灯正在经历一场革命。出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑,美国一些州和其它一些国家已经禁止使用低能效的白炽灯泡。各种新技术正纷纷被用于替换白炽灯泡,其中紧凑型真空荧光灯(CFL)是主要替代方案。尽管这种CFL灯的功耗仅为白炽灯的20%,但却含有有毒物质汞。相比之下,LED灯可以提供更高效和更环保的解决方案。

LED初的商业应用出现在上世纪七十年代,但因其光输出极低,应用范围也于指示灯和计算器显示屏等领域。如今,能够产生白光的高功率LED在效率方面不断得以提升,价格也在逐年下降,因此它已成为主流照明应用值得考虑的选择之一。

通过全球LED技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努力改进,高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升,除了传统的背光和显示面板市场外,高亮度LED开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用。这些都预示着LED驱动电源将有一个广阔的应用前景。

LED驱动电源面临的问题:在LED大放异彩的同时,LED驱动电源器则是LED产业链的发展的保障,LED电源的品质直接制约了LED产品的可靠性,因此,在LED产业链逐步完善的今日,LED驱动电源的成熟也至关重要。由于LED是特性敏感的半导体器件,又具有负温度特性,因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护,从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻,LED不像普通的白炽灯泡,可以直接连接220V的交流市电。LED是2~3伏的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯,要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高,设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数,因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。

但是在市场一片繁荣的背景下,LED产品质量良莠不齐,对驱动电源的要求混乱,市场上LED产品如火如荼的发展态势下,就LED驱动电源企业而言,目前面临几个挑战。首先是驱动电路整体寿命,尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED时更是如此,因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散,电源转换效率的过低,影响了LED节能效果的发挥。第三,以大调光比高效率地对LED调光,同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。

争夺应用“潜力股”IC架构掀革新

在环保呼声高涨的今天,节能照明技术已经越来越受到大众的重视,欧、美许多国家甚至立法以规范照明管理。LED照明技术以其低功耗、长寿命的优势当之无愧的成为了节能照明技术的“排头兵”。

除了演出照明、景观照明、住宅照明、防火照明等传统照明市场之外,汽车前灯照明市场也是LED照明技术发展的大好空间。TonyArmstrong甚至认为:增长快的LED驱动器集成电路市场是汽车前灯照明,从现在到2011年,年复合增长率将超过150%。一个流行的应用领域是很多汽车和卡车的仪表板背光照明、内部照明和刹车灯。豪华型汽车制造商正在越来越多地采用的固态LED照明技术,用这些更轻、更小和更耐用的器件提供内部和外部照明,以提高未来车型的美感。

于是针对各种照明应用,如何提高LED发光效率成为LED驱动厂商们目前为关注的话题。为了尽快推动LED照明市场的快速增长,各个厂商也相继推出了一系列优秀的LED驱动产品。由于发光二极体(LED)驱动积体电路(IC)架构掀革新。LED驱动IC商已开始部署高功率LED驱动IC方案,将金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)独立于LED驱动IC封装外,以因应商业照明市场日益高涨的高瓦数照明需求。

LED驱动IC顾名思义,即是应用于在LED上的驱动芯片,主要是用来控制通过LED的电流,以达到使LED发光的效果,受惠于LED的应用面不断扩大,LED驱动IC的发展也不断进步,产业规模持续扩大,成长性值得期待。

LED发光原理是将电能转换为光,也就是对化合物半导体施加电流,透过电子与电洞的结合,过剩的能量会以光的形式释出,达成发光的效果。由于发光亮度由电流大小决定,通过LED的电流越强,亮度就越亮,因此,电流的稳定度将影响LED发光的质量,一般在控制LED电流的方法会采用供应固定电压的方式,并以电阻的方式调整通过LED的电流强度,这是成本低的解决方案,这样做的缺点是,电阻不但增加功耗,无法达到节电的效果,也会增加热能,降低LED寿命,同时,当电源供应来源的电压产生变化时,无法及时调整通过LED的电流量,因而可能产生LED发光不稳定的现象。

由于控制LED电流的要求提升,LED驱动IC的需求亦应运而生,预估在LED背光源应用大幅成长以及LED大型广告牌分辨率持续提高下,采用可提供精确电流的LED驱动IC将成为市场的主流。

意法半导体技术行销经理吴玉君表示,今年下半年意法半导体LED驱动IC架构将会有新的转变,并带给客户更多的产品组合选择。

意法半导体(ST)技术行销经理吴玉君表示,今年LED照明市场主要的转变在于客户对于高功率LED照明灯泡类型如抛物面镀铝反射灯的需求上涨,此种聚光灯型经过电路串联后,往往需要30~40瓦的功率才能启动。

吴玉君指出,由于之前居家照明用的球泡灯仅需12瓦左右功率即可运作,因此,MOSFET大多由于空间限制,便与LED驱动IC封装在一起。不过,这样的封装形式不制驱动IC应用的LED灯瓦数,更重要的是若MOSFET导通电阻值(RDS(ON))低,则将以高电流运作,以提高效率,但其若同时与驱动IC放在一起,反而会让灯泡整体功耗变高。

英飞凌(Infineon)电源管理及多元电子事业处资深经理张文贵亦有相似看法,他指出,烛光灯、球泡灯等封装形式较小的LED灯可采整合式方案,至于户外LED照明应用,则因其常有雷击透过电力线传导到接地线,进而对LED路灯照明品质产生干扰的情形,为提高驱动IC可靠度,1,000伏特(V)以上的高压MOSFET将成为重要关键。

张文贵进一步指出,在这样的应用中,若将MOSFET独立于驱动IC外将是较好的安排,原因在于MOSFET与驱动IC于制程上有高低压之分,若将两者放在一起,结果将是MOSFET与驱动IC的功能将无法在电路设计过程中确实优化,厂商还须要加上更多元件补强功能,如此一来,整体电路板成本反而未必能因整合而降低。

吴玉君指出,意法半导体针对LED市场趋势,将于今年第四季推出新的脉宽调变(PWM)LED驱动IC,并额外搭配800伏特MOSFET,这样的驱动IC架构将有助于意法半导体抢攻高功率LED照明应用市场,并带给客户更多的设计弹性。

LED驱动技术发展趋势

从目前市场了解来看,LED日光灯管式结构应用会较好发展。从家居照明来看,合适的照明强度还是需要10W以上节能灯具产品。荧光灯大多在7~15W功率,节能型日光灯在20~40W功率。如果用LED集中设计10W以上的功率,散热会令我们很头痛,也是影响成本的重要因数,显然像灯泡结构式的产品很不适合LED应用。像射灯这样产品不大可能规模量产民用。日光灯管式结构符合LED散热要求,也符合现有灯具接口方式。

厂商从成本考量,大多设计功率在20W以内的LED灯管,从不断增长的LED亮度来说20W符合未来LED照明光源发展要求,待LM值达到150LM/W时,才是LED照明大呼节能辉煌时代!未来的方式是,先恒压,再线性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应负载需要,按LED有不同的Vf值3~3.6V之间,那按LED实际数量乘于3V计算出低值,再按3.6V电压乘于数量计算出可能电压值,终确定电源部分需要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流,可以多路恒流源并联使用,也可以单路多个恒流源增加电流使用。前端电压源部分采样检测恒流源压差,调整合适负载需求电压,从而达到高效、灵活的驱动线路需求。

具体表现为以下四点:

1、针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路,利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在电流值,使得LED能获得稳定的电流,并产生的输出光通量。LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下好能控制LED电流的大小。

2、LED驱动电路具有智能控制功能,使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时,初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。

3、在控制电路电路设计方面,要向集中控制,标准模块化,系统可扩展性三方面发展。

4、在目前LED光效和光通量有限的情况下,充分发挥LED色彩多样性的特点,开发变色LED灯饰的控制电路。